大动态射频光纤传输系统设计与实现

臧习飞

(中国电子科技集团公司第三十四研究所，广西 桂林 541004)

大动态射频光纤传输系统设计与实现

臧习飞

(中国电子科技集团公司第三十四研究所，广西 桂林 541004)

介绍了大动态射频光纤传输系统的技术实现途径，对其进行了分析并提出了解决方案，成功实现了大动态射频光传输系统。

大动态；射频；噪声系数

现代电子对抗中电磁环境日趋复杂,己从陆、海、空三维立体作战模式发展为陆、海、空、电磁等多维空间的作战模式，为了在战场上拥有更多的主动权,需要对各类信息进行集中的管控与综合性处理，这就使得具有高带宽、大动态范围的信号感知与处理变得不可或缺。大动态射频光纤传输系统是将射频信号调制到光信号上，通过光纤链路来传送射频信号，具有动态范围大、频带宽、传输距离远等特点，在军事国防领域具有非常重要的作用。

1 系统设计与实现

1.1 系统原理框图

大动态射频光传输系统由光发射部分和光接收部分组成，其中光发射部分又包括1550 nm分布反馈式窄带光源、低噪声光放大器、保偏光分路器、马赫-曾德尔(M-Z)铌酸锂(LiNbO3)外调制器、射频功分器、偏振光合束器等六部分。光接收部分由色散失真补偿、零噪声拉曼分布式光放大器、偏振光分束器、光纤延时调整电路和平衡探测电路等五部分组成。系统原理框图如图1所示。

图1 大动态宽带射频信号光纤传输系统原理框图

发射端由DFB激光器产生稳定的1550nm光源，经低噪声EDFA光纤放大器将偏振光功率放大至1W，再通过保偏光分路器将光平均分配给两个并行的MZM外调制器进行电/光转换，输出的两路偏振光信号经保偏光合束器合成一路光信号输入到长距离传输的单模光纤。经长距离光纤传输后的光信号首先进入色散失真补偿模块，对经长距离传输后存在损伤的光信号进行修复校正，然后通过零噪声拉曼分布式光纤放大器将光信号放大到探测器的最佳接收区间，进入偏振控制器与偏振光分束器轴对准，经偏振光分束器将两路偏振光分离并进行精细的相位调整，确保最后进入平衡探测器的两路光信号能够输出幅度相同、相位互补的互调失真信号。

1.2 技术途径

无杂散动态范围(SFDR，Spur-free Dynamic Range)是指三阶交调失真等于最小可检测信号时，系统输入最大信号与最小可检测信号功率之比[1]。以三阶互调失真作为对系统动态范围的界定被业界广泛接受，可表示为：

上式中IIP3为三阶输入截止点，OIP3为三阶输出截止点，Gs为系统总增益，NF为系统噪声系数。由动态范围的计算公式可知，提高动态范围的技术途径为提高系统的IIP3指标及降低系统NF指标。

◆ 提高IIP3

对于模拟传输系统，IIP3和NF这两个指标的改善途径是相互矛盾的，即NF降低的同时，往往会导致IIP3变差，反之亦然。因此需要在提高三阶截止点与降低噪声系数之间取得某种平衡，从而实现最佳的无杂散动态范围指标。

三阶交调失真属于非线性失真，由于器件或系统自身的非线性特性,输出的信号不再与输入信号保持线性关系，而是会有新的频率分量产生，且非线性失真强度与输入信号功率大小有直接关系，由于这种新的频率会对有用信号频率产生干扰，所以要消除这些失真分量。如图2所示，当输入的射频信号为小信号且无增益压缩效应时,输出基频分量的功率随输入信号功率以斜率为1增长,三阶交调失真(IMD3)分量的功率以斜率为3随输入射频信号功率增长。基频信号功率与n阶交调产物功率相等时的输入/出功率值即为相应的输入和输出截断点，基频信号与三阶交调失真产物功率相等的点即为三阶截止点。

图2 三阶截止点示意图

由于三阶交调失真产物在频率上距离有用信号F1/F2非常近，因此无法用滤波器轻易去除,但可以测量出其功率大小。一旦测量得到IM3值后就可推算出输入三阶截点(IIP3)值。

目前提高三阶截止点的方法主要有以下几种途径：

1) 采用高线性化的光调制、解调技术

其基本原理是构造一个大小相等、相位相反的交调失真项，与系统产生的交调失真相抵消，进而达到消除非线性失真的目的。基于两个MZM级联或并联方案因其实用性和稳定性，是最常见的调制线性化技术。另外基于双平行双电极调制器或双偏振调制器等调制线性化技术能更好地抑制非线性效应，但系统结构更复杂。两个MZM并联方案如图3所示，激光器输出的光波按一定比例分成两路光，分别经过MZM调制，并保持两调制器的偏置点一致，再通过调节射频信号的功率比，使得上下两路产生的交调失真项的幅值相等和方向相反，最后在接收端合成，可以抑制交调失真项；该方案的好处是两个调制器的偏置点相同，但需精确调节激光器输出光及射频信号的功率比。

图3 高线性化双外调制器方案原理框图

要获得较高的调制和解调线性度，需在接收端的平衡探测器输入端使两路输入光信号保持相位差180°，从而使两路调制光产生的交调失真幅值相等且相位相反，方案采用两芯光纤进行长距离传输，在工程上很难保证光纤长度完全一致。即使通过技术手段使两芯光纤长度相同，考虑到光纤的温度时延效应，不同光纤产生的热胀冷缩长度变化不一致将导致两路光信号的相位一致性严重劣化。因此在工程实践中要通过偏振光合束/分束技术使两路光信号在同一芯光纤中传输，在平衡探测器前端通过高精度光纤延迟技术来实现两路光信号相位的精细调整，确保两路光信号的相位差为180°。

2) 在电路单元采用高线性的射频放大技术

光传输系统中线性失真特性主要受光调制/解调器件、前置放大器等元件模块的线性失真特性影响，且由于“电/光/电”转换过程中存在转换效率,使整个系统的噪声系数恶化。为了提高光传输系统的总增益,需在光发射/光接收部分加入高增益的射频放大，因此高线性的射频放大技术有助于系统线性度的改善。

◆ 降低噪声系数的技术途径

射频光纤传输系统的噪声主要包括热噪声、相对强度噪声和散粒噪声[2]。热噪声主要来自于链路中各电阻元件内部粒子的随机热运动，是普遍存在的，热噪声电压的瞬时值是一个均值为零、幅度起伏的随机函数，其概率密度函数呈高斯分布。在光电器件中热噪声的功率谱密度与探测光电流无关，在射频光纤传输系统中，热噪声的影响主要来自电信号的前置放大器，并且随电增益的增大而升高。相对强度噪声主要来自光源器件，测试数据表明它在射频光纤传输系统中对噪声系数的影响占据主导地位。相对强度噪声由光子的自发辐射引起,对外表现为激光器输出功率的随机抖动,它是与信号调制频率相关的函数。采用窄带的高纯度光源可以获得较低的相对强度噪声，目前最好的光源可以将相对强度噪声降低至-170 dB/Hz。散粒噪声存在于大多数半导体器件中，由形成电流的载流子分散性造成，是模拟光链路的重要噪声来源，散粒噪声电流是满足泊松分布的随机过程，散粒噪声功率谱密度与探测光电流成正比,即与接收光功率呈正比。射频光纤传输系统改善系统噪声系数的技术途径主要有如下几种：

1) 采用平衡探测技术

平衡探测技术采用两个探测器并联组成基于外差检测的噪声抑制电路结构，对应于发射端的双外调制器并联方案。通过对输入探测器的两路偏振调制光信号进行精细的相位调整，使两路探测器输出信号中的基频成分幅度相等且相位具有互补特性，经差分检测后实现共模噪声的消除和基频幅度的提升，从而使接收端的噪声系数得到改善。

2) 采用外调制低偏置技术

低偏置技术的优势在于铌酸锂马赫增德尔调制(MZM)的传递函数可被定量描述，涵盖了工作点的具体信息，基于低偏置噪声抑制的模拟光链路无需引入额外的器件，具有结构简单的优点。当前外调制器控制一般是对Quad+，Quad-，max，min四个点进行控制。而低偏置技术控制点并不在这4个点上，需要重新设计一个可在任意点偏置的自动控制电路，再根据调制信号一阶和二阶对应关系对偏置点进行调整。

图4所示为系统噪声系数、输出噪声功率密度及增益随偏置角度变化的曲线图。当偏置角位于90°～180°之间，噪声比增益下降的速度更快，因此噪声系数得到改善。而当偏置点位于180°附近的区域时，随着偏置角度的增加，增益比噪声下降的速度更快，相应的噪声系数被恶化。因此，存在某一个最佳偏置角度，使链路中的噪声系数达到最低，另外该最佳偏置角度的选择与输入光功率密切相关。

3) 采用低强度噪声光源

低强度噪声光源具有更低的本底噪声，可以为整个系统带来最原始的噪声性能改善，由于强度噪声主要来自光子的自发辐射，因此减少有效光子的数量有助于降低强度噪声，窄线宽光源光谱纯度高，理论上强度噪声也更低，目前最好的光源可以将强度噪声降低至-170 dB/Hz，相对普通光源噪声改善10 dB以上。

4) 提高光链路净增益

采用外调制技术理论上可以将“电/光”转换的动态范围提高至120 dB以上，但实际应用中只能达到1 dB，一个很重要的原因就是输入光功率不足，这是由现阶段1550 nm分布反馈式光源的生产成本决定的。目前商用的1550 nm波长光源普遍在100 mW以下，而外调制器的最大输入功率可以达到1 W以上，两者之间的功率匹配相差10倍以上，因此通过对现有的光放大器进行技术改进，将光源功率放大到1 W以上且不引入过多的强度噪声，就可实现光路噪声系数的改善。其基本原理就是通过采取特殊的滤波技术将光路中剩激光相对强度噪声予以滤除而又不影响原始光源的物理特性。

图4 噪声系数、输出噪声功率密度及增益随偏置角度变化的曲线图

3 结束语

文中所设计的大动态射频光纤传输系统在实验室中经100 km传输后系统动态无杂散动态可达116 dB.Hz2/3，比传统的射频光传输系统(无杂散动态96 dB.Hz2/3)改善了约20 dB。其采用模块化设计，通用性强，性能优越，具有很好的应用前景。

[1] 孙文龙，田伟.微波光子链路无杂散动态范围概述[J].数字技术与应用，2013(12)：235-236.

[2] 金丽丽，陈福深，陈吉欣.微波光链路的噪声系数分析[J].激光与光电子学进展，2009(11)：92-96.

The Design and Realization of High Dynamic RF Optical Fiber Transmission

Zang Xifei

(The34thResearchInstituteofChinaElectronicsTechnologyGroupCorporation,GuilinGuangxi541004,China)

This paper introduces the technology realization of high dynamic RF optical fibre transmission system; analyses the principle and puts forward some solutions. Finally, a high dynamic RF optical fibre transmission system is successfully realized.

high dynamic；radio frequence(RF)；noise figure(NF)

2017-06-12

臧习飞(1979- )，男，河南新乡人，工程师，研究方向：模拟光通信系统与设备的研究与开发。

1674- 4578(2017)04- 0049- 03

TN929

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